PEG-6000模拟干旱胁迫对青稞种子萌发的影响

彭玉琳， 夏天意， 邹云阳， 王 浩， 白玛德吉， 昌 西

(西藏农牧学院高原作物分子育种实验室， 西藏 林芝 860000)

干旱是影响植物生长与生产力最重要的非生物逆境胁迫因子之一，全球每年因干旱导致农作物减产占全部农业灾害的60%以上[1]，我国粮食生产也面临着干旱胁迫的严重威胁，筛选或培育耐旱作物迫在眉睫。青稞是适应了高原生态条件的特殊大麦，其对干旱、低温、强辐射等因子具有较强耐受性，因而在高原地区被广泛种植和使用，其中以西藏地区最具代表性。但是西藏大部分农区属于干旱与半干旱气候区，且田高水低，灌溉条件差，偏僻农区主要靠自然降雨。随着气候条件的不断变化，阶段性干旱胁迫的改变，病虫害的加剧，青稞材料抗性逐渐减弱，甚至无抗性，极大地阻碍了西藏青稞的种植和持续发展。因此，研究青稞抗旱性的遗传规律，抗旱性指标的有效选择、抗旱性鉴定的方法以及筛选强抗旱性种质资源等，将成为青稞生产高效发展的重要手段。在抗旱性鉴定中，萌发期是作物受干旱影响较大的时期之一，因此，本研究采用PEG-6000模拟干旱胁迫，对20个青稞种质材料进行萌发期干旱胁迫处理，旨在筛选青稞抗旱材料，为育种工作和提高西藏农业水分利用效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

20份供试材料来自青藏高原几个主要青稞种植区域，详见表1。

表1 供试青稞材料名称及来源Table 1 Names and origins of the tested highland barley materials

1.2 试验方法

取籽粒饱满，大小均匀，无虫害、无破损的青稞种子，用0.1%高锰酸钾溶液浸泡30 min进行消毒处理，捞出后用纯水反复冲洗5次，吸干种子表面水分，用事先消过毒的镊子将种子置于垫有2层滤纸的发芽盒(12 cm×12 cm)中，每个发芽盒中放入20粒种子，加入15 mL 质量分数为 17% 的PEG-6000进行处理，以加入等量的纯水作为对照，每个处理3次重复。将发芽盒放入培养箱中，培养条件为:前3 d均无光照，昼夜时长12 h/12 h，昼夜温度25 ℃/20 ℃；后4 d前12 h有光照,后12 h无光照，昼夜温度与前3 d相同。每3 d补充一次溶液，以种子露白作为发芽标准，每日观察种子发芽生长情况。统计每日的发芽数、总发芽数，7 d后测量芽长、主胚根长、芽干重和根干重并计算以下指标：

发芽率(%)=(第7天正常发芽的种子数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=[(规定时间内(3 d)正常发芽的种子/供试种子总数)]×100%；

发芽指数(GI)=∑Gt/Dt，

式中：Gt为第t日的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据整理，SPSS 22软件进行相关性分析、主成分分析、综合评价及聚类分析；进行以上分析时采用数据相对值计算。

相对值(%)=(PEG干旱胁迫下各性状平均值/对照各性状平均值)×100%。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫与正常条件下青稞萌发期生长状况

不同基因型青稞在PEG干旱胁迫与正常条件下生长状况具有一定的差异性。PC-4材料在干旱胁迫下发芽势和发芽率比正常条件下的高，即高渗溶液处理促进了该材料种子生长。而PC-17，PC-18，PC-19，PC-20这4个材料的发芽势和发芽率与正常条件相近，说明这些材料从发芽势和发芽率的角度看具有一定的抗旱优势，其他大部分基因型的发芽势与发芽率都受到不同程度的影响；20份供试材料的芽长和根长都受到干旱胁迫的抑制作用(表2)。

表2 20份青稞材料干旱胁迫与正常条件下萌发期的生长状况Table 2 Comparison of the growth of 20 highland barley materials under drought stress and normal conditions during germination

2.2 干旱胁迫下不同萌发指标的相关性分析

本试验考察了青稞萌发期7个性状指标，运用皮尔逊相关性系数法对PEG胁迫下的7个指标进行相关性分析，结果表明，发芽势与发芽率呈极显著正相关(p<0.01)(表3)，发芽势与芽长、芽干重呈负相关，与发芽指数均呈正相关；发芽率，与发芽指数呈正相关；芽长与芽干重呈极显著正相关，与根长呈显著正相关(p<0.05)；根长与芽干重、根干重呈显著正相关，与发芽指数呈正相关。

表3 青稞萌发期性状相关性分析Table 3 Correlation analysis of germination characteristic of highland barley

2.3 主成分分析

现已有马铃薯[2-3]、藜麦[4]、玉米[5]、菜豆[6]、冬枣[7]、化橘红[8]等物种用主成分分析的方法进行分析研究。从表4可以看出，主成分分析提取了3个主成分，第一主成分贡献率为38.215%，特征值为2.675，发芽势、根长、发芽指数在第一主成分上有较高的荷载，说明其第一主成分的抗旱能力主要由发芽势、根长、发芽指数决定；第二主成分贡献率是28.989%，累积贡献率67.204%，特征值为2.029，发芽势和发芽率在第二主成分上有较高的荷载，说明第二主成分的抗旱能力主要是由发芽势和发芽率决定；第三主成分贡献率是13.954%，累积贡献率为81.158%，特征值为0.997；相对根干重在第三主成分上有较高的荷载，说明第三主成分的抗旱能力主要是由根干重决定。可见3个主成分别包含了20份材料7个指标的81.158%数据信息，并且对这20份材料做出评价时，可将发芽率、发芽势与根部特征作为评定指标。

表4 各指标主成分分析Table 4 Principal component analysis of each index

设发芽势、发芽率、芽长、根长、芽干重、根干重、发芽指数的数据依次为X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7。根据成分矩阵和特征值可得主成分表达式：

Y1=0.38X1+0.34X2+0.34X3+0.48X4+0.34X5+0.33X6+0.40X7

Y2=0.52X1+0.56X2-0.41X3-0.23X4-0.41X5-0.12X6+0.11X7

Y3=0.02X1-0.03X2-0.20X3+0.21X4-0.28X5+0.77X6-0.48X7

根据以上结果，以3个主成分对应的旋转之前的方差贡献率作为权重，将各青稞材料主成分得分和相应的权重进行线性加权求和，计算出各份材料的综合得分，综合得分越高表示该份材料抗旱性越好。20份青稞材料在各主成分下的得分、综合得分及排名结果见表5。由表5得知，20份青稞材料综合抗旱性由强到弱依次为：PC-4、PC-20、PC-19、PC-17、PC-10、PC-15、PC-8、PC-12、PC-18、PC-9、PC-13、PC-14、PC-16、PC-11、PC-6、PC-5、PC-1、PC-2、PC-7、PC-3；第一主成分、第二主成分和第三主成分值都偏高的材料有PC-4、PC-10、PC-17、PC-18、PC-19、PC-20，故综合评分也较高，具有较强的抗旱性。

表5 主成分综合评价结果Table 5 Comprehensive evaluation results of principal component

2.4 聚类分析

试验对20份不同材料青稞抗旱性进行聚类分析，采用组间联接和Euclidean距离连接得到20份青稞材料的系统聚类图(图1)，由图1可看出，在阈值为8时可将供试材料分为三大类，第一类为高度抗旱材料PC-4；第二类为中度抗旱材料，包括：PC-20、PC-17、PC-8、PC-10、PC-19、PC-12、PC-18、PC-14、PC-15、PC-13、PC-16、PC-9、PC-11；第三类为敏感材料，包括PC-7、PC-2、PC-5、PC-6、PC-1、PC-3。

图1 20份青稞种质指标系统聚类分析Fig.1 Cluster analysis of indexes in 20 highland barley germplasms

3 讨论与结论

作物在不同生长发育阶段，水分起着至关重要的作用，且水被认为是调节作物萌发最重要的环境信号，是种子吸胀过程和发芽的起始因子，能直接或间接地参与发芽代谢过程[9]。青稞种子萌发情况在很大程度上决定了其出苗数量以及健壮程度，对其在逆境环境中的生长发育起着决定性作用，进而影响后期产量的形成[10]。鉴定青稞种子萌发期的抗旱性对于筛选出适用于西藏地区综合耐旱性优良的种质资源，为西藏青稞耐旱遗传研究及品种选育等相关工作提供理论依据，也有利于农业用水的节约、国家粮食的安全保障[11-12]。因此，干旱胁迫下青稞品种萌发特性可以有效评价其抗旱性。

发芽率、发芽势、发芽指数等指标能够反映品种的优劣[13-15]，本试验对20份青稞材料萌发期的7个主要指标(发芽势、发芽率、芽长、根长、芽干重、根干重、发芽指数)进行了分析，结果表明，干旱胁迫下对大部分材料的发芽势与发芽率具有抑制作用，少部分材料干旱条件下与对照条件下差异较小，且干旱胁迫下青稞材料的芽长、根长、发芽指数均受到影响。

对青稞萌发特性进行科学合理的评价，避免对各项指标片面性评价则需要进行综合分析。本试验运用统计学的方法对农作物多项农艺性状指标进行综合评价，主成分分析法通过无量纲化处理，把7个变量降维成3个相互独立的综合变量，使得综合评价更加科学准确[16-17]，再通过主成分和聚类分析对青稞种质资源进行综合评价，对研究材料进行等级划分和适应性评价，根据综合得分以及系统聚类图可看出，20份青稞种质资源中筛选出1份综合抗旱性较强的青稞材料，13份综合抗旱性较好的材料。抗旱性综合排序结果为：ZDM 4714>ZDM 4721>ZDM 4699>藏青148(2)>ZYM 1867(2)>舍么>ZDM 4813>ZDM 4733>藏青80>北青6号>地方品种1>昆仑10号>地方品种2>昆仑8号>ZDM 4941>ZDM 4953>ZDM 5074>ZDM 4739>ZDM 4812>藏青311。

综上所述，种子萌发可用于评价不同植物种子抗旱性的强弱，并筛选出耐旱适应性植物[18]，PEG干旱胁迫下可筛选出抗旱性青稞种质资源，但萌发期抗旱性的品种选育也只能作为青稞品种初步选择的依据，不能完全反映青稞种质资源的好坏程度，还需要结合大田试验筛选出抗旱品种，是目前迫切解决的问题之一。